羅嘯宇 盧秀慧 鄧為東 謝文平

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣州 510080；2.北京航天光華電子技術(shù)有限公司，北京 100854）

長(zhǎng)期以來(lái)，在外力干擾或惡劣自然環(huán)境的影響下，沿海一帶易發(fā)生臺(tái)風(fēng)等極端天氣的地區(qū)，輸電塔基易產(chǎn)生形變、沉降、傾斜及位移，進(jìn)而造成相應(yīng)桿塔位置和角度的改變，帶來(lái)倒塔、斷線(xiàn)及跳閘等災(zāi)害。為此，有必要針對(duì)重點(diǎn)關(guān)注的線(xiàn)路輸電塔，使用定位精度達(dá)到厘米級(jí)的衛(wèi)星定位服務(wù)參考站（Continuously Operating Reference Stations，CORS）技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)開(kāi)展對(duì)輸電塔的變形監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)輸電塔的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控和危險(xiǎn)評(píng)估，供運(yùn)維部門(mén)決策。

以計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)（LAN/WAN）技術(shù)及全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）定位技術(shù)為基礎(chǔ)的CORS系統(tǒng)由連續(xù)運(yùn)行參考站、數(shù)據(jù)通信鏈路、數(shù)據(jù)中心和用戶(hù)終端組成。CORS系統(tǒng)通過(guò)在一個(gè)區(qū)域內(nèi)建立一個(gè)或多個(gè)連續(xù)運(yùn)行的參考站，并與監(jiān)控中心組成網(wǎng)絡(luò)，為用戶(hù)提供不同的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）原始數(shù)據(jù)及載波相位差分技術(shù)（Real-time Kinematic，RTK）改正數(shù)、狀態(tài)信息，用戶(hù)只需一臺(tái)GPS接收機(jī)即可實(shí)現(xiàn)高精度、實(shí)時(shí)的導(dǎo)航定位。

本文采用基于CORS系統(tǒng)的位移監(jiān)測(cè)技術(shù)，將GNSS接收機(jī)安裝到被監(jiān)測(cè)物上進(jìn)行輸電塔位移監(jiān)測(cè)，將經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的GNSS觀(guān)測(cè)值主動(dòng)、實(shí)時(shí)地發(fā)送給用戶(hù)，滿(mǎn)足不同層次的用戶(hù)需求，有效解決了觀(guān)測(cè)點(diǎn)與被測(cè)體因距離近而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果無(wú)效及不便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)包含硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)兩部分：硬件由主監(jiān)測(cè)設(shè)備和輔助監(jiān)測(cè)設(shè)備組成。主監(jiān)測(cè)設(shè)備也就是基于 CORS的位移監(jiān)測(cè)設(shè)備，主要用于監(jiān)測(cè)塔頂?shù)膶?shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變形的長(zhǎng)期靜態(tài)變形；輔助設(shè)備主要包括風(fēng)速儀、加速度傳感器、傾角傳感器，用于測(cè)量風(fēng)速、塔身加速度、塔身傾斜角度等參數(shù)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)4G模塊傳輸?shù)椒?wù)器進(jìn)行顯示和處理。設(shè)備采用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)進(jìn)行供電，保障設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間野外作業(yè)。軟件主要用于數(shù)據(jù)分析、處理、存儲(chǔ)及對(duì)外提供文本、圖形化等方式的數(shù)據(jù)信息顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.1 GNSS定位系統(tǒng)

定位系統(tǒng)主要由GNSS接收機(jī)和天線(xiàn)組成，用于接收北斗導(dǎo)航信號(hào)。針對(duì)輸電桿塔周?chē)嗦窂健㈦姶挪ǜ蓴_嚴(yán)重的應(yīng)用環(huán)境，本文選取帶多路徑抑制功能的天線(xiàn)。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

輸電塔位移監(jiān)測(cè)分為靜態(tài)監(jiān)測(cè)及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，靜態(tài)監(jiān)測(cè)采用靜態(tài)后處理模型，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)處理模型。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)終端設(shè)備安裝于輸電塔頂部，GNSS天線(xiàn)接收定位衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)來(lái)定位該點(diǎn)的地理位置，GNSS接收機(jī)利用原始數(shù)據(jù)解算出具體地理位置數(shù)據(jù)，通過(guò)4G通信模塊把初步定位數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程CORS服務(wù)系統(tǒng)上，GNSS接收機(jī)接收CORS服務(wù)器返回的VRS差分修正數(shù)，并利用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)進(jìn)行定位解算。采用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)，擴(kuò)大了作業(yè)半徑，使得作業(yè)精度均等，從而得出塔頂?shù)膶?shí)時(shí)位置坐標(biāo)信息。靜態(tài)監(jiān)測(cè)終端設(shè)備安裝于輸電塔塔基，GNSS接收機(jī)將原始數(shù)據(jù)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給中心站，中心站利用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得出基礎(chǔ)的位移信息。在CORS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，確保了定位精度及測(cè)繪系統(tǒng)的統(tǒng)一。

2.2 傳感器模塊

壓電式加速度傳感器是一種機(jī)電換能器，用于測(cè)量物體的振動(dòng)加速度，具有測(cè)量范圍廣、質(zhì)量輕、體積小、頻響范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)及測(cè)量精度高等優(yōu)勢(shì)。本文選用基于壓電晶體的壓電效應(yīng)工作的高分辨率、高精度的壓電式加速度傳感器（ULT2031S），安裝于輸電塔頂部及塔中位置，用于測(cè)量?jī)?個(gè)高度4個(gè)方向的加速度變化量，測(cè)量范圍為±2g，分辨率為5×10-5g，頻率響應(yīng)范圍為0.25Hz。

傾角傳感器經(jīng)常用于系統(tǒng)的水平角度變化測(cè)量，理論基礎(chǔ)是牛頓第二定律。本文選用集成化較高的傾角傳感器模塊（WTU125-L30V），安裝于輸電塔頂部，用于測(cè)量輸電塔的傾斜角度，測(cè)量范圍為±30°，測(cè)量靈敏度為10＂。

超聲風(fēng)速風(fēng)向傳感器的工作原理是利用超聲波時(shí)差法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速的測(cè)量，通過(guò)超聲波在空氣中傳播的時(shí)差來(lái)計(jì)算風(fēng)速和風(fēng)向，有效地克服了機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀易磨損的缺陷。本文選用基于超聲波原理的風(fēng)速風(fēng)向一體傳感器（HS-FSSB01），將其安裝于輸電塔塔身距地10m左右的位置，用于測(cè)量輸電塔周邊的風(fēng)速風(fēng)向，測(cè)量風(fēng)速為0~60m/s，測(cè)量精度為±0.3m/s，風(fēng)向測(cè)量范圍為0°~359°，測(cè)量精度為±3°。

溫濕度計(jì)選用溫濕度一體化的傳感器（RSWS-N01-8），安裝于輸電塔塔身位置，用于測(cè)量輸電塔周邊溫濕度，測(cè)量范圍為-40~50℃，溫度測(cè)量精度為±0.5℃，濕度測(cè)量范圍為5%RH~100%RH，濕度測(cè)量精度為±2%RH。

2.3 4G模塊

4G標(biāo)準(zhǔn)具有通信速度快、網(wǎng)絡(luò)頻譜寬、通信方式靈活、兼容性好及智能性高等優(yōu)勢(shì)。4G通信技術(shù)工作頻率高，受電磁干擾影響小，適用于在高壓環(huán)境下的遠(yuǎn)程通信。

監(jiān)測(cè)站與服務(wù)器之間的通信通過(guò)4G模塊實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)下行速率最高可以達(dá)到 100Mbit/s，上行速率最高可以達(dá)到50Mbit/s，本文選用有人科技的全網(wǎng)通模塊G785，該模塊為工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，符合電力現(xiàn)場(chǎng)的溫度電壓需求，具有防雷擊設(shè)計(jì)，RS485接口防浪涌1kV，RS485接口電源隔離，防止電力環(huán)境如電弧等對(duì)設(shè)備的損害，適合本系統(tǒng)所處的應(yīng)用環(huán)境。

2.4 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)

目前，輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的供電方式以太陽(yáng)能和蓄電池聯(lián)合供能的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)為主，太陽(yáng)能光伏發(fā)電不受地理環(huán)境等因素的影響，負(fù)載通過(guò)太陽(yáng)能控制器獲取太陽(yáng)能電池板的電能。當(dāng)供電系統(tǒng)產(chǎn)生的能量充足時(shí)，多余的能量?jī)?chǔ)存在蓄電池中；當(dāng)產(chǎn)生的能量不足時(shí)，不足的部分則由蓄電池提供。供電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池板、蓄電池及控制器組成。

本文選用TSWB-LYP200 AHA型號(hào)電池，電池容量為200A·h，質(zhì)量為7.9kg，尺寸為361mm×55.5mm×256mm。為滿(mǎn)足系統(tǒng)24V供電電壓需求，后端電壓轉(zhuǎn)換選用VRB4824LD-30WR3電源處理模塊。太陽(yáng)能電池板選用4串型號(hào)為GS-SP-50W的太陽(yáng)能電池板，輸出電壓為64V，總功率為200W，總質(zhì)量為3.5kg，單塊板尺寸為1060mm×272mm×5mm。

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

服務(wù)器軟件為瀏覽器/服務(wù)器模式 （Browser/Server，B/S）、客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器模式（Client/Server，C/S）嵌套結(jié)構(gòu)，C/S軟件主要用于數(shù)據(jù)分析、處理及存儲(chǔ)。“.NET Framework”中提供的Socket通信具備完整的異步/同步接收/處理能力。本文的數(shù)據(jù)處理采用異步Socket通信技術(shù)、多線(xiàn)程編程技術(shù)，不必阻塞性地等待消息或者返回值。B/S軟件主要用于對(duì)外提供文本、圖形化等方式的數(shù)據(jù)信息顯示，采用My SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，使用模型–視圖–控制器（Model View Controller，MVC）框架，Model層使用Java，View層使用Java Script，Controller層使用Java，服務(wù)器配置Java EE環(huán)境，服務(wù)器容器采用Tomcat。服務(wù)器軟件流程圖如圖3所示。

圖3 服務(wù)器軟件流程圖

3.1 數(shù)據(jù)處理

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的Socket應(yīng)用，采用TCP/IP協(xié)議，分為監(jiān)聽(tīng)客戶(hù)端連接請(qǐng)求線(xiàn)程、接收客戶(hù)端數(shù)據(jù)線(xiàn)程、解析客戶(hù)端數(shù)據(jù)線(xiàn)程、存儲(chǔ)客戶(hù)端數(shù)據(jù)線(xiàn)程及調(diào)度線(xiàn)程等5個(gè)核心線(xiàn)程。監(jiān)聽(tīng)客戶(hù)端連接請(qǐng)求線(xiàn)程采用Socket的異步方法；接收客戶(hù)端數(shù)據(jù)線(xiàn)程接收到數(shù)據(jù)包后存入包隊(duì)列，供解析客戶(hù)端數(shù)據(jù)線(xiàn)程調(diào)用，最后調(diào)用存儲(chǔ)客戶(hù)端數(shù)據(jù)線(xiàn)程，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的接收、解析、存儲(chǔ)分開(kāi)處理的功能，優(yōu)化了服務(wù)器處理高并發(fā)場(chǎng)景的能力；調(diào)度線(xiàn)程用來(lái)處理數(shù)據(jù)包隊(duì)列異常、關(guān)閉等操作。

系統(tǒng)采樣周期為10Hz，即每秒存儲(chǔ)10條數(shù)據(jù)，系統(tǒng)需24h不間斷運(yùn)行，每天每套設(shè)備采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量為24×60×60×10=864000條，兩套設(shè)備每年監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)量為864000×365×2=630720000條。

3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

本系統(tǒng)每天產(chǎn)生80萬(wàn)行數(shù)據(jù)，寫(xiě)入和查詢(xún)數(shù)據(jù)的比例為4:1，涉及所有歷史數(shù)據(jù)的讀取，隨著系統(tǒng)規(guī)模的不斷增加，數(shù)據(jù)量和并發(fā)量不斷增加，有高并發(fā)量等特點(diǎn)，海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪(fǎng)問(wèn)是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和擴(kuò)展性，本文采用垂直拆分和水平拆分相結(jié)合的數(shù)據(jù)切分技術(shù)來(lái)提高網(wǎng)站性能，分流數(shù)據(jù)庫(kù)并發(fā)壓力，使數(shù)據(jù)庫(kù)表更具條理性。數(shù)據(jù)庫(kù)由數(shù)據(jù)表組成，每個(gè)數(shù)據(jù)表代表不同的業(yè)務(wù)類(lèi)型，通過(guò)不同的業(yè)務(wù)類(lèi)型對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行垂直拆分，分成不同的數(shù)據(jù)庫(kù)，垂直拆分降低了單點(diǎn)機(jī)器的負(fù)載。垂直拆分后遇到單機(jī)負(fù)載過(guò)重時(shí)，采用水平拆分，分成不同數(shù)據(jù)表，水平拆分提高了數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作的效率，尤其是寫(xiě)操作的效率。

假設(shè)database表中有1000萬(wàn)條數(shù)據(jù)，每插入一條新的數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)針對(duì)這張表重新建立索引，在1000萬(wàn)行數(shù)據(jù)中索引會(huì)占用大量的內(nèi)存。數(shù)據(jù)庫(kù)的拆分一般遵循某種特定的規(guī)則，常見(jiàn)的拆分方式包括：基于某個(gè)整數(shù)類(lèi)型字段的指定數(shù)目取模，基于某個(gè)時(shí)間類(lèi)型字段的指定時(shí)間范圍，基于某個(gè)字符類(lèi)型字段的Hash 值。本文采用對(duì)ID主鍵Hash取模的切分規(guī)則，將數(shù)據(jù)平均分布到一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的不同表中，例如，將database分為database_001，database_002，…，database_100共計(jì)100個(gè)子表，100個(gè)子表水平拼合后，又重新組成一個(gè)完整的database表，每個(gè)子表里包含10萬(wàn)行數(shù)據(jù)。插入一條數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)庫(kù)在這10萬(wàn)行數(shù)據(jù)中重新建立索引，消耗的時(shí)間及占用的內(nèi)存將下降一個(gè)數(shù)量級(jí)，提高了數(shù)據(jù)庫(kù)的操作效率，節(jié)省了內(nèi)存。

同時(shí)，本文采用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)預(yù)編譯過(guò)程，啟動(dòng)服務(wù)器后將存儲(chǔ)過(guò)程加載到高速緩存中，再次調(diào)用無(wú)需通過(guò)編譯，提高了執(zhí)行效率。

3.3 數(shù)據(jù)備份

龐大的數(shù)據(jù)量使數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)和備份變得尤為重要，為了避免數(shù)據(jù)的丟失，在服務(wù)器的備份和恢復(fù)中，采用數(shù)據(jù)冷備與熱備相結(jié)合的方式，定時(shí)將每月數(shù)據(jù)導(dǎo)為文件，以文件二維表的形式保存，雖然維護(hù)度低，但有較高的安全度。工作磁盤(pán)運(yùn)行時(shí)，備用磁盤(pán)同時(shí)待命，當(dāng)工作磁盤(pán)發(fā)生讀寫(xiě)故障時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)備用磁盤(pán)，備用磁盤(pán)將立即代替故障磁盤(pán)進(jìn)入工作狀態(tài)，這樣既提高了維護(hù)度，也保證了安全性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于CORS的輸電塔遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，試點(diǎn)應(yīng)用于廣東電網(wǎng)某電力監(jiān)測(cè)站，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傾角、溫濕度、風(fēng)速等信息，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，為輸電塔的長(zhǎng)期運(yùn)行與維護(hù)提供了有力保障，能夠降低臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害給輸電線(xiàn)路帶來(lái)的危害，對(duì)保障輸電線(xiàn)路的安全運(yùn)行具有重要意義。